Come scegliere un posizionatore per valvola? Guida alla selezione dei posizionatori per valvole

Nei sistemi complessi della moderna produzione industriale, le valvole di controllo sono ampiamente riconosciute come attuatori chiave per raggiungere l'automazione dei processi e mantenere la stabilità dei processi. Queste valvole regolano con precisione i parametri del processo critico come la portata, la pressione, la temperatura e il livello liquido dei fluidi (inclusi gas, vapore, acqua o varie miscele chimiche), garantendo che i processi di produzione funzionino senza intoppi all'interno di parametri predefiniti.

Posizionatori di valvole, come accessori indispensabili per le valvole di controllo, svolgono il ruolo del "cervello" nell'intero ciclo di controllo automatizzato. La loro funzione principale è quella di ricevere segnali di comando dal sistema di controllo e confrontarli in tempo reale con la posizione effettiva dello stelo della valvola o dell'albero della valvola. Dopo aver rilevato qualsiasi deviazione, il posizionatore regola rapidamente la pressione dell'aria o il segnale elettrico fornito all'attuatore della valvola per garantire che la posizione della valvola risponda con precisione ai requisiti del sistema di controllo. Questo processo supera efficacemente questioni non lineari come attrito, ritardo e zone morte che le valvole di controllo possono incontrare durante il funzionamento, ottenendo così un controllo preciso e una rapida risposta della valvola.

Dal tradizionale "controllo" alla moderna "ottimizzazione", la funzionalità dei posizionatori della valvola sta subendo una significativa evoluzione. Inizialmente, i posizionatori sono stati considerati principalmente come strumenti per garantire una risposta precisa della valvola ai segnali di controllo, affrontando difetti meccanici inerenti alle valvole, come l'attrito di imballaggio e i fenomeni di ritardo. Tuttavia, con l'aumento dell'industria 4.0 e la produzione intelligente, il ruolo dei posizionatori ha superato di gran lunga la portata del semplice controllo della posizione della valvola. Sono ora considerati "risorse intelligenti" in grado di fornire ricchi dati diagnostici in tempo reale e condurre analisi di manutenzione predittiva, riducendo così efficacemente i tempi di inattività non pianificati, ottimizzando il consumo di energia, migliorando in modo significativo la qualità del prodotto e, in definitiva, migliorando l'efficienza operativa e la redditività dell'intero impianto.

Questa trasformazione funzionale è il risultato inevitabile di numerosi progressi tecnologici avanzati. Ad esempio, l'applicazione di tecnologie di feedback di posizione senza contatto come i sensori di effetto Hall ha notevolmente migliorato l'accuratezza e l'affidabilità della misurazione della posizione riducendo al contempo l'usura meccanica. Inoltre, l'integrazione di microprocessori integrati e algoritmi di controllo avanzati ha dotato i posizionatori di potenti capacità di elaborazione dei dati. Inoltre, l'adozione diffusa di protocolli di comunicazione digitale come Hart, Fondazione Fieldbus e Profibus consente ai posizionatori di impegnarsi in uno scambio di dati bidirezionali ad alta velocità con i sistemi di controllo. Queste tecnologie funzionano in tandem per garantire che le valvole non possano non solo essere controllate con precisione, ma anche "segnalare" attivamente il proprio stato di salute e persino "prevedere" potenziali guasti.

Pertanto, la selezione dei posizionatori della valvola non riguarda più solo il soddisfacimento dei requisiti di controllo del flusso di base, ma si è evoluta in un investimento strategico nell'efficienza complessiva, l'affidabilità e la sicurezza del processo di produzione. I posizionatori intelligenti possono trasformare le valvole di controllo da dispositivi passivi che eseguono i comandi in partecipanti attivi nell'ottimizzazione del processo e fornitori di dati critici, gettando una solida base per la trasformazione digitale di un'azienda.

Questo rapporto mira a fornire ai lettori una guida completa e approfondita per la selezione dei posizionatori delle valvole. Il rapporto effettuerà un'analisi approfondita di marchi di fama internazionale come Fisher, Masoneilan, Flowserve, Samson e Neles, in dettaglio le rispettive caratteristiche del prodotto, i vantaggi tecnologici di base, le strategie di prezzo e le aree di applicazione specializzate in diversi settori.

Il rapporto inizierà per la prima volta con i principi di lavoro di base e i principali tipi di posizionatori di valvole, analizzando i vantaggi e gli svantaggi di diversi tipi di posizionatori e i loro scenari applicabili. Successivamente, il rapporto approfondirà i fattori chiave da considerare quando si seleziona un posizionatore della valvola, inclusi i requisiti di prestazioni e precisione, considerazioni sull'ambiente operativo e sulla sicurezza, la compatibilità e l'integrazione con i sistemi di controllo e l'analisi costi-benefici. Dopo aver condotto un'analisi completa di vari marchi di fama internazionale, il rapporto fornirà strategie di selezione specifiche per guidare i lettori nel prendere le decisioni più appropriate del marchio e del modello in base ai loro requisiti di processo, ambienti operativi e vincoli di bilancio. Infine, il rapporto introdurrà la società Xiangjing e il suo contributo al settore delle valvole.

Un posizionatore della valvola è un dispositivo di controllo del movimento di precisione la cui funzione core è garantire che l'attuatore di una valvola di controllo possa posizionare con precisione lo stelo della valvola o l'albero della valvola sul setpoint richiesto dal sistema di controllo. Riceve continuamente segnali di comando (cioè setpoint) dal sistema di controllo e li confronta in tempo reale e con alta precisione con la posizione effettiva dello stelo della valvola o dell'albero della valvola (cioè segnali di feedback). Una volta rilevata qualsiasi deviazione tra i due, il posizionatore regola immediatamente la pressione dell'aria o il segnale elettrico fornito all'attuatore della valvola fino a quando la valvola raggiunge con precisione la posizione desiderata.

Questa funzione principale del posizionatore è progettata per superare vari fattori che possono influire sul posizionamento preciso della valvola. Questi fattori includono l'attrito causato dall'imballaggio dello stelo della valvola, l'isteresi intrinseca nell'attuatore e le forze sbilanciate generate dal tappo della valvola sotto pressione del fluido. Compensando attivamente questi disturbi, il posizionatore assicura che la valvola di controllo possa essere in modo affidabile, accurato e rapido ai segnali di controllo, mantenendo così parametri di processo stabili. In termini di installazione fisica, il posizionatore è in genere montato ingegnosamente sul giogo o alloggiamento superiore dell'attuatore. Si collega allo stelo della valvola o all'albero della valvola tramite collegamenti meccanici o più sensori di non contatto avanzati, consentendo l'acquisizione in tempo reale di feedback di posizione precisa dalla valvola.

Nelle fabbriche moderne, in cui vengono distribuite reti di centinaia o migliaia di loop di controllo complessi, le valvole di controllo servono come elementi di controllo finali che regolano le variabili di processo critiche come flusso di fluido, pressione, livello e temperatura. Questi circuiti di controllo sono progettati per garantire che tutte le variabili di processo importanti rimangano nel raggio operativo richiesto, garantendo così la qualità del prodotto e la stabilità del processo.

I posizionatori della valvola riducono significativamente la variabilità del processo, migliorano la qualità del prodotto e garantiscano la stabilità del sistema di fronte a disturbi interni ed esterni (come le variazioni di carico) fornendo un controllo preciso della posizione della valvola. In sostanza, funziona come un "sistema di controllo incorporato", utilizzando il segnale di uscita dal controller di processo principale come setpoint e regolare con precisione la pressione dell'attuatore in base al feedback della posizione effettivo della valvola. Questa struttura del sistema di controllo a cascata consente alla valvola di ottenere risposte più precise e rapide, migliorando così le prestazioni dell'intero ciclo di controllo.

I posizionatori di valvole svolgono un ruolo fondamentale nell'affrontare le sfide di controllo "Last Mile" nel controllo del processo. Mentre il controller emette segnali, l'attuatore della valvola stesso può avere problemi intrinseci come la non linearità, l'attrito e le zone morte, portando a deviazioni tra la posizione della valvola effettiva e la posizione desiderata del controller. Questo fenomeno influenza l'accuratezza del controllo e la stabilità del sistema. Il posizionatore colma questo "divario" tra il controller e l'attuatore della valvola attraverso il suo feedback in tempo reale interno e i meccanismi di regolazione locale, garantendo che i segnali di controllo siano convertiti accuratamente in azioni fisiche della valvola. Questo è simile a un sistema servo di precisione, traducendo comandi di controllo a livello macro in un'esecuzione precisa a livello micro.

Senza un posizionatore, quando il controller guida direttamente l'attuatore, a causa delle caratteristiche meccaniche intrinseche dell'attuatore (come l'attrito dall'imballaggio dello stelo della valvola o il ritardo dell'attuatore), la valvola potrebbe non riuscire a raggiungere con precisione la posizione specificata o l'esperienza significativamente rallentata tempi di risposta. Il posizionatore, attraverso il suo circuito di feedback interno e l'amplificatore ad alto guadagno, guida attivamente e con forza la valvola nella posizione specificata, anche in presenza di disturbi esterni come le forze sbilanciate causate da cambiamenti nella pressione del fluido. Questa capacità migliora direttamente le prestazioni complessive e la stabilità del circuito di controllo, garantendo che la variabile di processo rimanga il più vicino possibile al setpoint.

Pertanto, il posizionatore funge da garanzia di precisione "ultimo miglio" nel controllo del processo. Soprattutto nelle applicazioni che richiedono una regolamentazione di limitazione, garantisce un controllo preciso del flusso di fluidi, che è fondamentale per mantenere la qualità del prodotto, ottimizzare il consumo di energia e garantire la sicurezza dei processi. Fornendo questo controllo della posizione della valvola ad alta precisione, il posizionatore consente all'intero sistema di processo di funzionare in modo più stabile ed efficiente.

I posizionatori di valvole sono principalmente classificati in tre tipi principali in base ai loro principi operativi e ai tipi di segnale che usano: posizionatori pneumatici, posizionatori elettro-pneumatici (I/P) e posizionatori digitali (intelligenti). Ogni tipo ha i suoi meccanismi operativi unici, vantaggi e svantaggi, nonché scenari industriali applicabili.

I posizionatori pneumatici sono il tipo più tradizionale e più lungo di posizionatori di valvole, con il loro funzionamento interamente dipendente dall'aria compressa come mezzo per la trasmissione del segnale e l'esecuzione della potenza.

I posizionatori pneumatici ricevono segnali di input pneumatici da dispositivi di controllo, che sono generalmente espressi in gamme di pressione standard come 3-15 psi (0,2-1,0 bar) o 6-30 psi (0,4-2,0 bar). La loro operazione interna si basa sul principio dell'equilibrio della forza, come il classico sistema di piastre ugello/orifizio. Quando la pressione del segnale di ingresso cambia, una serie di leve meccaniche e soffietti interagisce per regolare lo spazio tra l'ugello e la piastra, regolando così la pressione dell'aria fornita all'attuatore della valvola di controllo. Questo regolamento consente alla posizione dello stelo della valvola o dell'albero della valvola di abbinare con precisione il segnale di ingresso in modo proporzionale.

Vantaggi:

• Struttura semplice e facile manutenzione: i dispositivi pneumatici sono in genere semplici in struttura, leggeri e relativamente facili da installare e mantenere.
• Ecologico ed economico: il mezzo di lavoro è l'aria, che è facile da scaricare e non inquina l'ambiente e l'aria stessa è economica.
• Caratteristiche intrinseche a prova di esplosione: poiché non sono coinvolti componenti elettrici o scintille, i posizionatori pneumatici hanno caratteristiche intrinseche a prova di esplosione, rendendole altamente adatte per ambienti pericolosi come petrolio, gas naturale e industrie chimiche in cui sono presenti sostanze infiammabili ed esplosive.
• Affidabilità elevata e durata di lunga durata: i componenti pneumatici possono resistere a milioni di cicli operativi efficaci, offrendo in genere un'alta affidabilità e una lunga durata.
• Funzionamento del fallimento: se utilizzati con attuatori a molla, i posizionatori pneumatici forniscono un funzionamento affidabile di fallimento in caso di errori di alimentazione dell'aria, spingendo la valvola in una posizione di sicurezza pre-set (completamente aperta o completamente chiusa).

Svantaggi:

• Inferito dalle variazioni di carico: a causa della compressibilità dell'aria, la velocità operativa dei cilindri è facilmente influenzata dalle variazioni di carico, il che può portare a una ridotta accuratezza del controllo.
• Insufficiente stabilità a bassa velocità: durante il movimento a bassa velocità, a causa della percentuale relativamente elevata della forza di attrito nella spinta, la stabilità a bassa velocità dei cilindri è inferiore a quella dei cilindri idraulici.
• Forza di uscita limitata: sebbene la forza di uscita dei cilindri possa soddisfare i requisiti in molte applicazioni, è generalmente inferiore a quella dei cilindri idraulici e non è adatta a compiti pesanti.
• Velocità di trasmissione del segnale lento: la velocità di trasmissione dei segnali pneumatici è significativamente più lenta di quella dei segnali elettrici, con ritardi e distorsioni significative, che li rendono inadatti per sistemi di controllo complessi che richiedono trasmissione del segnale ad alta velocità.
• Requisiti elevati per la qualità dell'aria dello strumento: per garantire un funzionamento stabile a lungo termine, i posizionatori pneumatici hanno requisiti rigorosi per la qualità della fornitura di aria dello strumento, che richiede aria compressa pulita, secca e senza olio per prevenire la contaminazione e l'usura dei componenti di precisione interni.

I posizionatori elettro-pneumatici sono un tipo ampiamente utilizzato nell'industria moderna, combinando efficacemente i vantaggi della trasmissione del segnale elettrico con le caratteristiche di potenza degli attuatori pneumatici.

I posizionatori elettro-pneumatici ricevono segnali elettrici dal sistema di controllo, in genere segnali di corrente CC 4-20 mA standard o segnali di tensione CC 0-10 V. Il loro componente principale è il convertitore I/P (corrente-pneumatica), che converte con precisione i segnali elettrici ricevuti in segnali di pressione pneumatica proporzionali. Questi segnali pneumatici vengono quindi trasmessi alla sezione pneumatica del posizionatore, guidando l'attuatore della valvola per ottenere una precisa regolazione della posizione della valvola. Questo design consente ai posizionatori elettro-pneumatici di fungere da ponte tra sistemi di controllo del segnale elettrico e attuatori pneumatici.

Vantaggi:

• Alta compatibilità: può elaborare direttamente i segnali elettrici e avere una buona compatibilità con i moderni sistemi DCS (sistema di controllo distribuito) e PLC (controller logico programmabile), rendendo facile integrarsi nelle architetture di controllo esistenti.
• Accuratezza e risoluzione migliorate: rispetto ai posizionatori pneumatici puri, i posizionatori elettro-pneumatici in genere offrono una maggiore precisione e risoluzione, consentendo un controllo della posizione della valvola più preciso.
• Forte resistenza alle interferenze: i segnali elettrici hanno una forte resistenza all'interferenza elettromagnetica durante la trasmissione a lunga distanza e sono meno soggetti all'attenuazione, garantendo l'integrità e l'affidabilità del segnale.

Svantaggi:

• Complessità di progettazione: rispetto ai posizionatori puramente pneumatici, i posizionatori elettrocom-pneumatici hanno design e strutture più complessi, incorporando componenti sia elettrici che pneumatici.
• Costo più elevato: a causa della loro complessità e convertitori I/P integrati, i posizionatori elettroc-pneumatici in genere costano più dei posizionatori puramente pneumatici.
• Considerazioni sull'installazione del convertitore I/P: mentre i convertitori I/P possono essere integrati nei posizionatori, alcuni impianti di produzione possono preferire l'installazione di convertitori I/P da remoto a causa di problemi come vibrazioni in loco, fluttuazioni di temperatura o vincoli di spazio, che aumentano la complessità del cablaggio e dell'installazione.

I posizionatori digitali (intelligenti) rappresentano l'ultimo sviluppo nella tecnologia del posizionatore valvole. Sono strumenti avanzati basati su microprocessori, che offrono precisione di controllo senza precedenti, capacità diagnostiche e funzioni di comunicazione.

I posizionatori digitali ricevono segnali elettrici digitali, come il protocollo HART, la Fondazione Fieldbus o PA Protocolli di comunicazione digitali altamente sovrapposti a un segnale analogico 4-20MA. Il loro core risiede nel microprocessore incorporato, che esegue il controllo della posizione della valvola attraverso algoritmi digitali complessi, sostituendo i collegamenti meccanici, le camme o i gruppi di ugelli/lembo presenti negli attuatori pneumatici ed elettrici tradizionali. Inoltre, i posizionatori digitali in genere impiegano una tecnologia di feedback di posizione senza contatto e senza collegamenti, come i sensori di effetto Hall, per misurare la posizione dello stelo della valvola. Questo design elimina fondamentalmente l'impatto dell'usura meccanica, dell'allentamento, della corrosione e delle vibrazioni sulle prestazioni, migliorando significativamente l'affidabilità del prodotto e la vita di servizio.

Vantaggi:

• Precisione e risoluzione estremamente elevata: i posizionatori digitali ottengono precisione e risoluzione di posizionamento estremamente elevati, supportando modelli di movimento complessi e attività di posizionamento ad alta precisione per garantire l'accuratezza del controllo dei fluidi. La tecnologia del sensore dell'effetto Hall, in particolare, consente una misurazione precisa senza contatto, migliorando significativamente la precisione complessiva.
• Robuste capacità diagnostiche e di comunicazione: questo è un vantaggio fondamentale dei posizionatori digitali. Presentano ampie funzioni diagnostiche, che consentono il monitoraggio online, la diagnosi dei guasti, la manutenzione predittiva e il supporto per la configurazione e la calibrazione remote. Ciò aiuta a ridurre i tempi di inattività non pianificati e i costi di manutenzione.
• Bassi requisiti di manutenzione e durata di lunga durata: a causa di un minor numero di componenti e nessun coinvolgimento con sistemi di fluidi (come attuatori idraulici o pneumatici), attuatori lineari elettrici (attuatori) hanno requisiti di manutenzione estremamente bassi. I posizionatori digitali hanno esteso significativamente la durata operativa a causa dell'assenza di usura meccanica e delle capacità di autodiagnostica avanzate.
• Basso consumo di energia: rispetto agli attuatori idraulici o pneumatici, gli attuatori elettrici consumano meno energia nelle applicazioni di carico statico. Dopo il posizionamento della valvola, il consumo di aria allo stato stazionario dei posizionatori digitali è trascurabile, riducendo significativamente il consumo di energia.

Svantaggio:

• Costo più alto: i posizionatori digitali in genere hanno il costo di approvvigionamento iniziale più alto tra tutti i tipi.
• Complessità del sistema di controllo: i loro sistemi di controllo sono più complessi, che richiedono conoscenze e competenze specializzate per l'installazione, la messa in servizio e la manutenzione.
• Considerazioni sulla certificazione a prova di esplosione: mentre molti posizionatori digitali hanno una certificazione a prova di esplosione, una certificazione aggiuntiva o un design speciale può essere richiesto in base a requisiti estremi a prova di esplosione per garantire un funzionamento sicuro in ambienti esplosivi.

Fisher 3620J

L'evoluzione dei posizionatori delle valvole dai sistemi puramente pneumatici a operati elettricamente e quindi ai sistemi intelligenti digitali riflette chiaramente la ricerca in corso di "precisione, efficienza e connettività" nel campo di controllo industriale. Questo progresso tecnologico non è una semplice relazione di sostituzione ma piuttosto una coesistenza e uno sviluppo basati su diversi requisiti di applicazione e efficacia in termini di costi.

I posizionatori puramente pneumatici, con le loro intrinseche caratteristiche a prova di esplosione, struttura semplice e vantaggi a basso costo, contengono ancora valore e applicabilità unici in alcune aree pericolose in cui i requisiti di precisione sono relativamente bassi, come semplici applicazioni di controllo on/off o sensibili ai costi. Rimangono una scelta affidabile ed economica in ambienti in cui il potere non è disponibile o i rischi di scintilla sono elevati.

I posizionatori elettropneumatici fungono da ponte tra segnali analogici tradizionali e attuatori pneumatici, rimanendo la scelta tradizionale in molti sistemi di controllo industriale esistenti. Combinano i vantaggi di trasmissione dei segnali elettrici (come la resistenza alle interferenze a lunga distanza) con le caratteristiche di potenza degli attuatori pneumatici, rendendoli adatti a impostazioni industriali che richiedono un'alta precisione e un controllo del segnale elettrico. Questo tipo è una scelta naturale per l'aggiornamento o il retrofitting di sistemi DCS tradizionali, in quanto migliora le prestazioni di controllo senza alterare completamente l'architettura esistente.

I posizionatori digitali rappresentano la tendenza futura nella tecnologia del posizionatore della valvola. Le loro solide capacità diagnostiche e di comunicazione li rendono una tecnologia abilitante chiave per il raggiungimento del settore 4.0 e la manutenzione predittiva. Attraverso i microprocessori integrati e la tecnologia di feedback senza contatto, i posizionatori digitali forniscono una precisione eccezionale e informazioni sulla salute delle valvole complete, consentendo "manutenzione basata sulle condizioni" e "manutenzione predittiva". Ciò significa che le aziende possono programmare la manutenzione in base alle condizioni operative effettive dell'apparecchiatura piuttosto che a un programma fisso, riducendo così al minimo i tempi di inattività e ottimizzando le risorse di manutenzione.

Questa evoluzione non è una semplice sostituzione, ma piuttosto il risultato di una profonda comprensione dei diversi requisiti di applicazione e di un equilibrio di efficacia in termini di costi. I posizionatori pneumatici, con le loro caratteristiche "semplici a basso costo" e "intrinsecamente a prova di esplosione", hanno ancora un mercato in applicazioni semplici in cui il potere non è disponibile o c'è un alto rischio di scintille. I posizionatori elettro-pneumatici, attraverso i convertitori I/P, affrontano la sfida di combinare i vantaggi della trasmissione a lunga distanza di segnali elettrici con attuatori pneumatici, rendendoli una scelta naturale per l'aggiornamento dei sistemi DCS tradizionali. I posizionatori digitali, dotati di microprocessori e feedback senza contatto, hanno notevolmente capacità di precisione e diagnostica, consentendo "manutenzione basata sulle condizioni" e "manutenzione predittiva". Questa espansione funzionale trasforma i posizionatori di valvole da semplici attuatori in dispositivi intelligenti in grado di fornire dati operativi critici.

Pertanto, quando si selezionano un posizionatore, le aziende devono bilanciare i benefici del progresso tecnologico (come tempi di inattività ridotti, miglioramento della qualità del prodotto e consumo di energia ottimizzato) rispetto alla complessità iniziale di investimento e manutenzione. Ad esempio, per le valvole on/off non critiche, un semplice posizionatore pneumatico può essere sufficiente; Tuttavia, per lo I decisori non dovrebbero perseguire ciecamente la più alta tecnologia ma condurre un'analisi completa dei costi del ciclo di vita, tenendo conto degli appalti iniziali, dell'installazione, del consumo di energia operativa, dei costi di manutenzione, nonché potenziali perdite di produzione e rischi per la sicurezza.

La tabella seguente fornisce un confronto completo di diversi tipi di posizionatori di valvole per aiutare i lettori a comprendere meglio le rispettive caratteristiche e gli intervalli di applicazione:

Tabella 1: confronto dei tipi di posizionatore della valvola

Fisher DPC2K

La selezione del posizionatore della valvola appropriata è un processo decisionale multidimensionale e sistematico che richiede una considerazione completa di più fattori chiave, inclusi i requisiti di prestazione, l'ambiente operativo, la compatibilità del sistema e il rapporto costo-efficacia.

Le prestazioni di un posizionatore della valvola determina direttamente la precisione e la stabilità del circuito di controllo. Pertanto, i requisiti di prestazione e precisione sono le considerazioni principali durante la selezione.

L'accuratezza del posizionamento si riferisce al grado di vicinanza tra la posizione effettiva della valvola e la posizione desiderata, mentre la ripetibilità si riferisce alla capacità della valvola di ottenere la stessa posizione ogni volta sotto lo stesso segnale. Il posizionamento preciso e ripetibile è un vantaggio fondamentale degli attuatori lineari elettrici (come parte del sistema attuatore) e dei posizionatori digitali. I posizionatori digitali, dotati di microprocessori integrati e algoritmi di controllo avanzati, possono ottenere una maggiore precisione di posizionamento e tassi di errore inferiori rispetto ai posizionatori tradizionali. Ad esempio, le tecnologie di feedback senza contatto come i sensori di effetto Hall consentono una misurazione precisa senza contatto fisico, migliorando significativamente l'accuratezza e l'affidabilità del controllo complessive.

La velocità di risposta si riferisce al tempo richiesto per la valvola per raggiungere la sua nuova posizione dopo aver ricevuto il segnale di controllo. I posizionatori possono accelerare significativamente la velocità di risposta della valvola e ridurre i tempi di risposta fornendo un flusso d'aria e una pressione più elevati. Ciò è fondamentale per i sistemi che richiedono rapidi aggiustamenti per rispondere alle variazioni del processo, ad esempio nei cicli di controllo del flusso o della pressione in rapido cambiamento. Inoltre, monitorando e regolando continuamente la posizione della valvola, il posizionatore aiuta efficacemente a mantenere la stabilità del processo, sopprime le oscillazioni o le fluttuazioni e garantiscono che le variabili di processo funzionino senza intoppi vicino al setpoint.

L'isteresi si riferisce al fenomeno in cui la risposta di uscita della valvola è in ritardo rispetto alla variazione di input quando la direzione del segnale di ingresso cambia; Deadband si riferisce all'intervallo all'interno del quale l'uscita della valvola non risponde alle variazioni del segnale di ingresso. Queste caratteristiche non lineari riducono l'accuratezza del controllo. I posizionatori possono compensare efficacemente ed eliminare l'isteresi e la banda morta causata dall'attrito di imballaggio dello stelo della valvola, garantendo che la valvola risponda con precisione e sensibilmente per controllare i segnali in tutta la sua gamma di viaggio. Ciò è fondamentale per raggiungere una regolamentazione ad alta precisione ed evitare deviazioni di processo, in particolare nelle applicazioni di controllo della limitazione che richiedono frequenti piccoli regolazioni.

Nella selezione di un posizionatore della valvola, esiste un importante equilibrio tra precisione e costo. Mentre i posizionatori digitali offrono una precisione di posizionamento eccezionale e capacità diagnostiche solide, i loro costi di approvvigionamento iniziali sono in genere più alti. Non tutte le applicazioni industriali possono permettersi o richiedere un investimento iniziale così elevato. Per applicazioni con requisiti di precisione relativamente meno rigorosi ma sensibilità al costo, i posizionatori pneumatici o elettromeccanici possono offrire una migliore efficacia del costo. Questa scelta è un compromesso che deve essere determinato in base ai requisiti di precisione del processo specifico, alle potenziali perdite da tempi di inattività non pianificati e ai vincoli di bilancio disponibili.

L'elevata precisione viene spesso dotata di tecnologie di rilevamento più complesse (ad es. Sensori di effetto Hall non contatto), capacità di elaborazione dei dati più potenti (ad es. Microprocessori integrati) e processi di produzione più precisi, che contribuiscono direttamente a costi di produzione più elevati. Tuttavia, in alcuni processi di alto valore, ad alto rischio o di qualità, i benefici della precisione di controllo migliorata possono superare di gran lunga l'investimento iniziale. Ad esempio, nel settore chimico fine, un controllo preciso del flusso può effettivamente prevenire costose reazioni laterali o rottami del prodotto, giustificando così il valore dei posizionatori ad alta precisione.

Pertanto, i decisori non dovrebbero perseguire ciecamente la più alta tecnologia ma condurre un'analisi completa del costo del ciclo di vita (LCC). Questa analisi dovrebbe considerare tutti i fattori rilevanti, inclusi i costi di approvvigionamento iniziale, le spese di installazione e messa in servizio, il consumo giornaliero di energia operativa, i costi di manutenzione, i costi di inventario dei pezzi di ricambio e le potenziali perdite di produzione e i rischi di sicurezza causati da guasti alle attrezzature. Attraverso questa valutazione globale, le aziende possono identificare quali ulteriori investimenti in precisione e funzionalità produrranno i maggiori rendimenti a lungo termine in specifici scenari di applicazione.

I posizionatori di valvole in genere affrontano duri ambienti operativi in ​​contesti industriali e le prestazioni di sicurezza sono un requisito fondamentale per qualsiasi attrezzatura industriale. Pertanto, quando si seleziona un posizionatore della valvola, è essenziale condurre una valutazione completa dell'ambiente operativo e dei requisiti di sicurezza.

I posizionatori della valvola devono essere in grado di funzionare stabili a lungo termine in vari ambienti industriali duri, tra cui temperature estreme (sia alte che basse), ad alte vibrazioni meccaniche e ambienti con gas corrosivi. I produttori investono significativi sforzi di ricerca e sviluppo per progettare prodotti robusti e durevoli. Le soluzioni comuni includono l'uso di componenti elettronici completamente sigillati per resistere all'umidità e alla polvere, che impiegano materiali resistenti alla corrosione (come alloggiamenti in acciaio inossidabile) per resistere ai media corrosivi e offrendo opzioni di varia di temperatura ampia (ad es. Alcuni modelli supportano temperature estreme da -55 ° C a +85 ° C). Inoltre, alcuni posizionatori avanzati dispongono di progetti resistenti alle vibrazioni superiori, come il sistema di feedback di posizione senza limite di Fisher DVC6200, che elimina efficacemente l'usura meccanica, con conseguente maggiore affidabilità negli ambienti vibranti e corrosivi. L'ampia gamma di temperature di Masoneilan SVI3 e i componenti elettronici incapsulati dimostrano anche la sua adattabilità ad ambienti difficili.

La complessità degli ambienti industriali impone requisiti rigorosi alla progettazione del posizionatore. I produttori migliorano l'adattabilità ambientale attraverso i progressi della scienza dei materiali, delle tecnologie di imballaggio avanzato e dell'ottimizzazione strutturale. Gli ambienti difficili possono causare usura, corrosione e fallimento dei componenti meccanici tradizionali. Per garantire l'affidabilità a lungo termine, i produttori devono sviluppare materiali più durevoli, imballaggi più sigillati e strutture più resistenti alle vibrazioni. Ad esempio, i sensori dell'effetto della sala magnetica affrontano fondamentalmente problemi di usura meccanica evitando il contatto fisico, migliorando così l'affidabilità in ambienti difficili.

L'adattabilità ambientale influisce direttamente sui costi del ciclo di vita delle attrezzature e sulla sicurezza operativa degli impianti. Quando si seleziona un posizionatore, non si dovrebbe solo concentrarsi sulle sue prestazioni di controllo, ma anche valutare la sua affidabilità a lungo termine in ambienti operativi specifici. Mentre i prodotti con adattabilità ambientale superiore possono comportare costi di investimento iniziali più elevati, possono ridurre significativamente i costi di manutenzione e il rischio di tempi di inattività non pianificati causati da fattori ambientali, offrendo così maggiori benefici complessivi alle imprese.

Fail-Safe è una caratteristica critica delle valvole di controllo e dei loro attuatori, riferendosi al movimento automatico dell'elemento di controllo del flusso della valvola in una posizione predeterminata quando l'energia dell'unità (come l'aria dello strumento o l'alimentazione) viene interrotta, proteggendo così la sicurezza del processo e delle apparecchiature. Le modalità comuni di fallimento basate sui requisiti di sicurezza del processo includono:

• UN.FAIL-Closed (FC): Quando l'energia dell'unità viene persa, l'elemento di riparazione del flusso della valvola si sposta automaticamente in posizione chiusa. Questa modalità è comunemente utilizzata negli scenari in cui l'alimentazione del fluido deve essere interrotta per prevenire situazioni pericolose, come le valvole di interruzione della sicurezza nelle condutture di gas a combustibile, che si chiude automaticamente quando si perde la potenza per impedire al carburante di entrare nella camera di combustione, evitando così incendi o esplosioni.
• B.Fail-open (FO): Quando l'energia dell'unità viene persa, l'elemento di riparazione del flusso della valvola si sposta automaticamente in posizione aperta. Questa modalità è adatta per scenari in cui è necessaria un'alimentazione a fluido continuo per mantenere uno stato sicuro, ad esempio nei sistemi di acqua di raffreddamento, in cui le valvole di fallimento si assicurano che l'acqua di raffreddamento continui a essere fornita durante un fallimento, impedendo il surriscaldamento del reattore o la perdita di controllo.
• C.FAIL-Last (FL): Quando si perde potenza o segnale, la valvola rimane nella posizione in cui si trovava durante la sua ultima azione, sia completamente aperta, completamente chiusa o in una posizione intermedia. Questa modalità richiede in genere componenti aggiuntivi, come un posizionatore con un meccanismo di blocco, per mantenere la posizione della valvola mantenendo la pressione del fluido all'interno dell'attuatore durante i guasti dell'aria o dell'alimentazione.
• D. Meccanismi di attuatore e fallimento:
  1. Attuatori pneumatici: gli attuatori pneumatici ad azione singolo-return a primavera sono una scelta comune per il raggiungimento di modalità intrinseche difettose. Durante un'emergenza, la rimozione della fornitura d'aria all'attuatore consente alla forza di ritorno della molla di guidare la valvola in una posizione di sicurezza pre-set (completamente aperta o completamente chiusa). Gli attuatori pneumatici a doppio azione in genere non dispongono di molle integrate, quindi per ottenere funzionalità di fallimento, un serbatoio di aria esterna deve essere utilizzato per fornire un alimentazione dell'aria di backup o una valvola di blocco deve essere impiegata per mantenere la valvola nell'ultima posizione o guidarla in una posizione sicura.
  2. Attuatori idraulici: gli attuatori idraulici possono anche utilizzare le configurazioni di retinio a molla per ottenere funzionalità di fallimento. Gli attuatori idraulici sono rinomati per la loro produzione elevata di coppia/spinta e risposta rapida, rendendoli particolarmente adatti a applicazioni critiche come ESD (sistema di arresto di emergenza) in cui è necessaria una rapida azione per garantire la sicurezza del sistema.
  3. Attuatori elettrici: gli attuatori elettrici rimangono in genere nella loro ultima posizione durante un'interruzione di corrente. Se il processo richiede funzionalità di fallimento o di fallimento, è necessaria una fonte di alimentazione di backup aggiuntiva (come un pacco batteria) o una versione speciale a primavera al riserve a molla per guidare la valvola in una posizione sicura in caso di errori di corrente.

La tabella seguente riassume le diverse modalità difettosa e la loro correlazione con le caratteristiche dell'attuatore:

Tabella 2: modalità di errore e caratteristiche dell'attuatore

Le rigide norme di sicurezza (come IEC 61508) guidano direttamente la domanda di attrezzature con valutazioni SIL più elevate (livello di integrità della sicurezza). Per soddisfare queste richieste, i produttori devono sviluppare posizionatori in grado di mantenere una posizione sicura in caso di fallimento ed eseguire la diagnostica online. Questa domanda ha anche guidato l'applicazione della tecnologia di feedback senza contatto, in quanto riduce l'usura meccanica, riducendo così il potenziale rischio di fallimento. La sicurezza è una pietra angolare indispensabile nelle applicazioni industriali. La selezione dei posizionatori conformi agli standard di sicurezza e alle certificazioni pertinenti non è solo un requisito di conformità, ma anche una responsabilità nei confronti del personale, delle attrezzature e dell'ambiente. Soprattutto nei processi che coinvolgono supporti di alto valore o pericolosi, le prestazioni di sicurezza dovrebbero avere la priorità rispetto alle considerazioni sui costi.

Nelle aree pericolose in cui sono presenti sostanze infiammabili ed esplosive, ad esempio nel petrolio, nel gas naturale, nelle industrie chimiche e farmaceutiche, i posizionatori delle valvole devono rispettare gli standard e le certificazioni a prova di esplosione per garantire la sicurezza operativa. Le certificazioni a prova di esplosione internazionale comuni includono ATEX (Unione Europea), IECEX (International Electrotechnical Commission), FM (Factory Mutual Insurance Company), CSA (Canadian Standards Association) e NEPSI (National Explosion Electrical Product Quality Supervision e Ispection Center of China), tra gli altri.

I principali tipi a prova di esplosione includono:

• Intrinsecamente sicuro (ex i): Limitando l'energia nel circuito, garantisce che non siano prodotte scintille o effetti termici in grado di accendere una miscela esplosiva in qualsiasi condizioni di guasto.
• A prova di fiamma/esplosione (ex d): Racchiudere componenti che possono generare scintille, archi o temperature pericolose all'interno di una solida alloggio in grado di resistere alla pressione generata da un'esplosione interna di una miscela esplosiva e prevenire la propagazione della fiamma all'ambiente esplosivo esterno.
• Maggiore sicurezza (ex e): Vengono prese misure per prevenire scintille, archi e surriscaldamento sia all'interno che all'esterno dell'attrezzatura, migliorando così la sicurezza e l'affidabilità dell'attrezzatura.

Inoltre, molti posizionatori digitali offrono la certificazione SIL (Safety Integrity Level), come SIL2 o SIL3. Ciò indica che sono adatti per i sistemi strumentati di sicurezza (SIS) e possono soddisfare i livelli di affidabilità richiesti per specifiche funzioni di sicurezza. La selezione dei posizionatori con la certificazione SIL appropriata è fondamentale per la costruzione di sistemi di sicurezza altamente affidabili.

I requisiti di sicurezza in ambienti pericolosi non sono ostacoli allo sviluppo tecnologico, ma piuttosto guidano l'innovazione nei posizionatori per quanto riguarda la protezione dell'esplosione, la sicurezza intrinseca e la certificazione SIL. Ad esempio, alcuni posizionatori utilizzano pulsanti di controllo magnetico che trasmettono segnali operativi attraverso magneti esterni sui sensori di alloggiamento e magnetici interni, consentendo il funzionamento senza compromettere l'integrità del sigillo dell'alloggiamento, soddisfacendo così i requisiti di protezione delle esplosioni resistenti alla pressione. La certificazione SIL richiede che i sistemi abbiano ad alta affidabilità e capacità di rilevamento dei guasti, spingendo i posizionatori intelligenti di integrare funzioni autodiagnostiche più complesse per garantire il rilevamento tempestivo e l'implementazione delle misure di sicurezza in caso di guasto.

Le rigide norme di sicurezza (come IEC 61508) guidano direttamente la domanda di attrezzature con classificazioni SIL più elevate. Per soddisfare questi requisiti, i produttori devono sviluppare posizionatori in grado di mantenere una posizione sicura in caso di guasto ed eseguire la diagnostica online. Questa domanda ha anche guidato l'adozione della tecnologia di feedback senza contatto, in quanto riduce l'usura meccanica, riducendo così il rischio di potenziali guasti. La sicurezza è una pietra angolare indispensabile nelle applicazioni industriali. La selezione dei posizionatori conformi agli standard di sicurezza e alle certificazioni pertinenti non è solo un requisito di conformità, ma anche una responsabilità nei confronti del personale, delle attrezzature e dell'ambiente. Soprattutto nei processi che coinvolgono supporti di alto valore o pericolosi, le prestazioni di sicurezza dovrebbero avere la priorità rispetto alle considerazioni sui costi.

Per i posizionatori pneumatici ed elettropneumatici, la qualità dell'alimentazione dell'aria dello strumento è un fattore critico per garantire il loro funzionamento stabile a lungo termine. Questi posizionatori si affidano all'aria compressa come mezzo di lavoro, quindi l'alimentazione dell'aria deve essere pulita, asciutta e priva di olio per evitare contaminazione, usura e fallimento dei componenti di precisione interna. A livello internazionale, lo standard ISO 8573-1 è comunemente usato per valutare il grado di qualità dell'alimentazione dell'aria dello strumento, che specifica requisiti specifici per particelle solide, umidità e contenuto di olio nell'aria.

Mentre i problemi di qualità dell'aria dello strumento possono sembrare minori, in realtà rappresentano una minaccia significativa per l'affidabilità a lungo termine dei posizionatori pneumatici ed elettropneumatici. La polvere, l'umidità e la contaminazione dell'olio in fonti d'aria di scarsa qualità possono causare blocchi, usura e corrosione di componenti di precisione all'interno del posizionatore, come ugelli, smorzatori, passaggi d'aria e sigilli. Queste usura e blocchi meccanici portano direttamente all'uscita del posizionatore instabile, ai tempi di risposta rallentati e infine a grave influire sulle prestazioni delle valvole di controllo e alla stabilità dei circuiti di controllo. Ciò non solo aumenta la frequenza e i costi di manutenzione, ma può anche comportare tempi di inattività non pianificati, causando perdite di produzione.

Pertanto, per garantire il funzionamento stabile a lungo termine dei posizionatori, le aziende devono investire in sistemi di filtrazione dell'aria e asciugatura di alta qualità. Sebbene ciò aumenti i costi iniziali di investimento, riduce in modo significativo i costi operativi e di manutenzione causati da problemi di approvvigionamento aereo a lungo termine. Quando si conducono un'analisi costi-benefici, non si dovrebbe solo considerare il costo di approvvigionamento del posizionatore stesso, ma anche includere i costi di investimento e operativi del sistema di trattamento dell'aria dello strumento. Per i siti in cui è difficile garantire la qualità dell'aria dello strumento, potrebbe essere necessario prendere in considerazione l'uso di attuatori elettrici o la selezione dei posizionatori con funzioni di filtrazione/essiccazione dell'aria integrate per garantire l'affidabilità dell'intero sistema di controllo.

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Come componente critico nel ciclo di controllo, le capacità di compatibilità e integrazione del posizionatore della valvola con sistemi di controllo di livello superiore (come DCS, PLC) sono di fondamentale importanza. Ciò influisce direttamente sull'efficienza della trasmissione dei dati, l'operabilità del sistema e la realizzazione di funzionalità avanzate.

I moderni sistemi di controllo industriale utilizzano ampiamente segnali DC 4-20MA per regolare le valvole di controllo. Questo segnale analogico è ampiamente adottato nell'industria a causa della sua eccellente resistenza al rumore e dell'attenuazione del segnale minima su lunghe distanze.

Con i progressi tecnologici, i posizionatori digitali ora supportano più protocolli di comunicazione digitale, consentendo una comunicazione completamente digitale con sistemi di controllo e consentendo funzionalità più avanzate. Tra questi, il protocollo di comunicazione Hart (autostrada indirizzabile al remoto) raggiunge la comunicazione bidirezionale tra dispositivi e sistemi di controllo sovrapponendo segnali digitali sui tradizionali segnali analogici 4-20MA, mantenendo i vantaggi dei segnali analogici. Fondazione Fieldbus e Profibus PA sono protocolli di campo di campo completamente digitali che offrono capacità di trasmissione di dati più ricche e più ricche, supportando strategie di controllo più complesse e funzioni di gestione dei dispositivi.

La transizione dai segnali analogici ai protocolli di comunicazione digitale non è semplicemente un cambiamento nei metodi di trasmissione del segnale, ma riflette anche la trasformazione dei sistemi di controllo industriale da "operazioni basate sul controllo" a "operazioni basate sui dati". I segnali tradizionali 4-20MA sono unidirezionali, in grado di trasmettere valori di controllo e incapaci di fornire stato in tempo reale o informazioni diagnostiche sulle valvole. I protocolli di comunicazione digitale, come HART, ottengono un flusso di dati bidirezionali tra i posizionatori della valvola e i sistemi di controllo sovrapponendo informazioni digitali sui segnali analogici o utilizzando segnali completamente digitali (come Fieldbus). Questo flusso di dati consente la diagnostica remota, la configurazione dei parametri e il monitoraggio delle prestazioni, riducendo così l'intervento manuale in loco e migliorando l'efficienza operativa e la sicurezza.

La selezione di un posizionatore che supporta i protocolli di comunicazione avanzati è un passo fondamentale per costruire future fabbriche intelligenti. Non solo ottimizza le prestazioni dei singoli loop di controllo, ma integra anche le valvole di controllo in più ampi quadri di analisi delle risorse e big data, gettando le basi per la trasformazione digitale di una fabbrica. Integrando queste capacità di comunicazione avanzate, le aziende possono ottenere un controllo di processo più preciso, una gestione delle attrezzature più efficiente e un processo decisionale operativo più intelligente.

I posizionatori digitali eccellono nelle capacità diagnostiche e di comunicazione, con potenti microprocessori e sensori che forniscono dati di salute e prestazioni della valvola. Queste caratteristiche diagnostiche includono:

• Firma della valvola: registra la relazione di spostamento della forza della valvola in tutta la sua gamma di viaggio per l'analisi della salute meccanica.
• Banda di errore dinamico: valuta l'accuratezza del controllo della valvola durante la risposta dinamica.
• Risposta del passaggio: misura la velocità di risposta e la stabilità della valvola a cambiamenti del segnale del passaggio.
• Controllo della corsa: verifica se la valvola può raggiungere le posizioni completamente aperte e completamente chiuse.
• Monitoraggio dell'attrito: rileva i cambiamenti nella forza di attrito dello stampo della valvola o altre parti in movimento, indicando un potenziale attacco o usura.
• Diagnostica del circuito dell'aria: ispeziona il circuito d'aria interno del posizionatore per olio, accumulo di acqua o perdite.
• Rilevamento dell'anomalia della molla dell'attuatore: diagnostica l'invecchiamento o il danno alla molla dell'attuatore.
• Diagnostica dell'usura dell'imballaggio: valuta il grado di usura sull'imballaggio dello stelo della valvola.

Questi ricchi dati diagnostici possono essere accessibili e analizzati attraverso vari metodi, come comunicatori portatile Hart, software Valvelink o altri software basati sulla tecnologia FDT/DTM (campo di tipo di strumento di dispositivo di campo/Gestione dispositivo). Questi strumenti supportano la manutenzione basata sulle condizioni e la manutenzione predittiva, consentendo alle aziende di identificare i problemi e programmare la manutenzione prima che si verifichino guasti, riducendo così significativamente i tempi d